Forskere skaber verdens mindste køleskab

Hvordan holder du verdens mindste sodavand kold? UCLA-forskere har muligvis svaret.

Et team ledet af UCLA fysikprofessor Chris Regan er lykkedes med at skabe termoelektriske kølere, der kun er 100 nanometer tykke - omkring en ti-milliontedel af en meter - og har udviklet en innovativ ny teknik til at måle deres køleydelse.

"Vi har lavet verdens mindste køleskab, " sagde Regan, hovedforfatteren til et papir om forskningen, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

For at være klar, disse miniscule enheder er ikke køleskabe i daglig forstand – der er ingen låger eller skarpere skuffer. Men i større skalaer, den samme teknologi bruges til at køle computere og andre elektroniske enheder, at regulere temperaturen i fiberoptiske netværk, og at reducere billedstøjen i avancerede teleskoper og digitale kameraer.

Hvad er termoelektriske enheder, og hvordan fungerer de?

Fremstillet ved at klemme to forskellige halvledere mellem metalliserede plader, disse enheder fungerer på to måder. Når der tilføres varme, den ene side bliver varm, og den anden forbliver kølig; at temperaturforskellen kan bruges til at generere elektricitet. De videnskabelige instrumenter på NASAs Voyager-rumfartøj, for eksempel, har været drevet i 40 år af elektricitet fra termoelektriske enheder viklet omkring varmeproducerende plutonium. I fremtiden, lignende enheder kan bruges til at hjælpe med at fange varmen fra din bils udstødning for at drive dens klimaanlæg.

Men den proces kan også køres omvendt. Når en elektrisk strøm påføres enheden, den ene side bliver varm og den anden kold, gør det muligt at tjene som køler eller køleskab. Denne opskalerede teknologi kan en dag erstatte dampkompressionssystemet i dit køleskab og holde din virkelige sodavand frostig.

Hvad UCLA-holdet gjorde

For at skabe deres termoelektriske kølere, Regans hold, som omfattede seks UCLA-studerende, brugt to standard halvledermaterialer:bismuthtellurid og antimon-bismuttellurid. De fastgjorde almindeligt Scotch-tape til stykker af de konventionelle bulkmaterialer, pillede det af og høstede derefter tyndt, enkeltcystalflager fra materialet, der stadig sidder fast på båndet. Fra disse flager, de lavede funktionelle enheder, der kun er 100 nanometer tykke og har et samlet aktivt volumen på omkring 1 kubikmikrometer, usynlig for det blotte øje.

For at sætte dette lille volumen i perspektiv:Dine negle vokser med tusindvis af kubikmikrometer hvert sekund. Hvis dine neglebånd fremstillede disse små kølere i stedet for fingernegle, hver finger ville skære mere end 5 ud, 000 enheder i sekundet.

"Vi slog rekorden for verdens mindste termoelektriske køler med en faktor på mere end ti tusinde, " sagde Xin Yi Ling, en af ​​avisens forfattere og en tidligere bachelorstuderende i Regans forskningsgruppe.

Mens termoelektriske enheder er blevet brugt i nicheapplikationer på grund af fordele som deres lille størrelse, deres mangel på bevægelige dele og deres pålidelighed, deres lave effektivitet sammenlignet med konventionelle kompressionsbaserede systemer har forhindret udbredt anvendelse af teknologien. Kort fortalt, i større skalaer, termoelektriske enheder genererer ikke nok elektricitet, eller forbliv kold nok - endnu.

Men ved at fokusere på nanostrukturer - enheder med mindst én dimension i området fra 1 til 100 nanometer - håber Regan og hans team at opdage nye måder at syntetisere bedre ydende bulkmaterialer på. De eftertragtede egenskaber for materialer i højtydende termoelektriske kølere er god elektrisk ledningsevne og dårlig varmeledningsevne, men disse egenskaber udelukker næsten altid hinanden. Imidlertid, en vindende kombination kan findes i næsten todimensionelle strukturer som dem, Regans team har skabt.

Et yderligere kendetegn ved holdets "køleskab" i nanoskala er, at det kan reagere næsten øjeblikkeligt.

"Dens lille størrelse gør det millioner af gange hurtigere end et køleskab, der har et rumfang på en millimeter i terninger, og det ville allerede være millioner af gange hurtigere end det køleskab, du har i dit køkken, " sagde Regan.

"Når vi først forstår, hvordan termoelektriske kølere fungerer på atom- og nær-atomare niveau, " han sagde, "Vi kan skalere op til makroskalaen, hvor det store udbytte er."

Måler, hvor kolde enhederne bliver

Det er en udfordring at måle temperatur i så små enheder. Optiske termometre har dårlig opløsning i så små skalaer, mens scanningssondeteknikker kræver specialiserede, dyrt udstyr. Begge tilgange kræver omhyggelige kalibreringer.

I 2015 Regans forskningsgruppe udviklede en termometriteknik kaldet PEET, eller plasmonenergiekspansionstermometri, som bruger et transmissionselektronmikroskop til at bestemme temperaturer på nanoskala ved at måle ændringer i tæthed.

For at måle temperaturen på deres termoelektriske kølere, forskerne deponerede nanopartikler lavet af grundstoffet indium på hver enkelt og udvalgte en specifik partikel til deres termometer. Da holdet varierede mængden af ​​strøm, der blev tilført til kølere, enheder opvarmet og afkølet, og indiumet tilsvarende udvidet og kontraheret. Ved at måle indiums tæthed, forskerne var i stand til at bestemme den præcise temperatur på nanopartiklerne og dermed køleren.

"PEET har den rumlige opløsning til at kortlægge termiske gradienter på få nanometer skala - et næsten uudforsket regime for nanostrukturerede termoelektriske materialer, " sagde Regan, som er medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA.

For at supplere PEET-målingerne, forskerne opfandt en teknik kaldet kondensationstermometri. Den grundlæggende idé er enkel:Når normal luft afkøles til en bestemt temperatur – dugpunktet – kondenserer vanddampen i luften til væskedråber, enten dug eller regn. Holdet udnyttede denne effekt ved at tænde deres enhed, mens de så den med et optisk mikroskop. Når enheden nåede dugpunktet, små dugdråber dannedes øjeblikkeligt på dens overflade.

Regan roste sine studerendes forskeres arbejde med at hjælpe med at udvikle og måle ydeevnen af ​​nanoskala-enheder.

"At forbinde avanceret materialevidenskab og elektronmikroskopi med fysik i hverdagsområder, som køling og dugdannelse, hjælper eleverne med at få styr på problemerne meget hurtigt, " sagde Regan. "At se dem lære og innovere giver mig en masse håb for fremtiden for termoelektrisk."